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Francisco José Freitas Lopes

APLICAÇÃO DE SENSORES DE VIBRAÇÃO

E RUÍDO NOS TRILHOS PARA DETECÇÃO DE DANOS EM RODAS

FERROVIÁRIA

CURRICULUM VITAE

➢ Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase emSistemas Eletrônicos pela Pontifícia Universidade Católicade Minas Gerais (1985);

➢ Pós-graduação em Engenharia de Segurança doTrabalho pela FUMEC (1991);

➢ Pós-graduação em Engenharia de Processos pelo IETEC(1999);

➢ Pós-graduação em Engenharia Clínica pelo CEFET-MG(2001);

➢ Mestrado em Engenharia Mecânica pela PontifíciaUniversidade Católica de Minas Gerais (2017);

➢ Analista Técnico da CBTU-STU/BH (1985 até esta data),atualmente como Coordenador da Oficina Eletromecânica eresponsável pela manutenção dos Veículos Ferroviários,Rodoferroviários e atendimento do Socorro Ferroviário.

JUSTIFICATIVAS

➢ AUMENTO DO TRÁFEGO, COM EXPANSÃO HORÁRIOS DE

PICO;

➢ DIFICULDADE NA DETECÇÃO DE DANOS EM RODAS, COM A

DEPENDÊNCIA DA OPERAÇÃO/USUÁRIO;

➢ DIFICULDADE NA IDENTIFICAÇÃO DA RODA OU RODEIRO

COM DANOS;

➢ DANOS CAUSADOS À VIA PERMANENTE E AO MATERIAL

RODANTE;

➢ TECNOLOGIAS COMERCIAIS EXISTENTES DE DETECÇÃO DE

DANOS EM RODAS BASEIAM-SE NA MEDIDA DA DEFLEXÃO DOS

TRILHOS, PORTANTO, PRATICAMENTE LIMITAM-SE À DETECÇÃO

DE CALOS (DANOS GRANDES NA SUPERFÍCIE DE ROLAMENTO).

OBJETIVO GERAL

Verificar a funcionalidade e a viabilidadetécnica da aplicação de acelerômetros e demicrofone de eletreto, para detecção dedanos na superfície de rolamento das rodasferroviárias, para detectar não só os calosque causam grandes vibrações na via, mastambém os danos causados por fadigamecânica e termomecânica, que geramruídos no contato roda/trilho.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

➢ Instalar acelerômetros e microfone nos trilhos da via permanente, para coleta de dados de rodeiros ferroviários com e sem defeitos;

➢ Desenvolver um equipamento eletrônico para armazenar os dados coletados, para análise e determinação da existência de danos;

➢ Identificar e descrever os padrões de resposta de vibração e ruído que representam um dano;

➢ Confirmar a existência dos danos por inspeção visual realizada em vala de manutenção.

CONTATO RODA TRILHO

Fonte: Elaborado pelo Autor

DIFICULDADE PARA IDENTIFICAR AS RODAS COM DANOS

Fonte: KINA, J., FABIANO, G., 2014

Fonte: Elaborado pelo Autor

RODAS FORJADAS

TRATAMENTO TÉRMICO DE TÊMPERA

Fonte: OLIVEIRA, 2013.

CICLO DE TRATAMENTO TÉRMICO DE TÊMPERA E REVENIMENTO

Fonte: Elaborado pelo autor com dados extraídos de OLIVEIRA, 2013.

TENSÃO DE COMPRESSÃO RESIDUAL

Fonte: MINICUCCI, 2011. Alterada pelo autor

TENSÃO DE COMPRESSÃO RESIDUAL

Fonte: MINICUCCI, 2011.

TENSÕES E FADIGA

TENSÕES ATUANTES NAS RODAS

Fonte: MINICUCCI, 2011.

FORMAÇÃO DE TRINCAS POR FADIGA

Representação esquemática do mecanismo deformação das bandas de deslizamento sobcarregamento cíclico

Fonte: OLIVEIRA, 2013.

ESTÁGIOS DE PROPAGAÇÃO DE TRINCA POR FADIGA

➢ Estágio I - Corresponde à nucleação da trinca por deformação plástica localizada, bandas de deslizamento, e a sua propagação inicial;

➢ Estágio II - Crescimento estável da trinca num plano perpendicular à direção da tensão principal de tração;

➢ Estágio III - Ruptura final do material, que ocorre quando a trinca atinge o tamanho crítico necessário para sua propagação instável.

Fonte: Elaborado pelo autor com dados extraídos de OLIVEIRA, 2013.

DANOS E FALHAS EM RODAS

FERROVIÁRIAS

CALO NA RODA➢ Caracterizado por uma planicidade na superfície de

rolamento da roda, causado pelo travamento indevido daroda no momento da frenagem.

➢ O comprimento do plano formado pode variar,normalmente, de 1 a 7,5 cm, podendo ultrapassar essesvalores em casos excepcionais de falhas graves no sistemade freio ou na aderência dos trilhos

Fonte: Fotos do autor.

ESQUEMÁTICO REPRESENTATIVO DE UM CALO EM CORTE

Fonte: DEUCE, 2007.

FORÇA DE IMPACTO DE DIVERSOS CALOS EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE

Fonte: THOMPSON, 2009.

TRINCAS E ESCAMAÇÃO LOCALIZADA DEVIDAS À FADIGA TERMOMECÂNICA (SPALLING)

➢ Caracterizado por uma fadiga superficial devida àsvariações bruscas de temperatura e fadiga mecânica.

➢ Formação de martensita não revenida, que éextremamente mais dura e frágil que a perlita, com umacamada que varia de 0,1 a 0,5 mm de profundidade,porém em alguns casos pode chegar a 1,2 mm


TRINCAS E ESCAMAÇÃO DEVIDAS À FADIGA MECÂNICA (SHELLING)

➢ Caracterizado por uma fadiga superficial devido ao altocarregamento mecânico suportado pelas rodas.

➢ Esta fadiga gera trincas, que se originam à profundidadede 1 a 3 mm da superfície de rolamento da roda, ocorremà baixa temperatura e que se propagam de formacircunferencial paralela à pista de rolamento da roda


FRATURA DA RODA


ESTADO DA ARTE EM DETECTORES DE

DANOS EM RODAS

ESTADO DA ARTE - DETECTORES DE CARGA DE IMPACTO DE RODAS (WILD- Wheel Impact

Load Detectors)

Sensor de Bragg

Sensor Laser

Straingauges

Fonte: LBFOSTER, Salient Systems, 2017.

Fonte: ASPLUND, 2014.

Fonte: VOESTALPINE, 2017.

Fonte: BARBOSA, 2009.

ESTADO DA ARTE - DETECTORES DE CARGA DE IMPACTO DE RODAS (WILD- Wheel Impact

Load Detectors)

Fonte: BRIZUELA; IBAÑEZ; FRITSCH, 2010.

Detector ultrassônico no trilho e refletido na roda

Detector de carga de impacto de rodas utilizando sensores ópticos

Fonte: VOESTALPINE, 2017.

APLICAÇÃO DE SENSORES DE

VIBRAÇÃO E RUÍDO PARA DETECÇÃO DE DANOS EM RODAS

FERROVIÁRIAS

DETECTOR DE DANOS EM RODAS UTILIZANDOSENSORES DE VIBRAÇÃO E ACÚSTICO


DETECTOR DE DANOS EM RODAS UTILIZANDO ACELERÔMETRO MM7361

Fonte: Gráfico do autor.

DETECTOR DE DANOS EM RODAS UTILIZANDO ACELERÔMETRO MPU6050


DETECTOR DE DANOS EM RODAS UTILIZANDO MICROFONE ELETRETO


DETECTOR DE DANOS EM RODAS UTILIZANDO ACELERÔMETRO MPU6050

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

REGISTRO DE VIBRAÇÃO - VF 002

Fonte: Fotos e gráfico do autor.

DETECTOR DE DANOS EM RODAS UTILIZANDO MICROFONE ELETRETO

VF 002 VF 001


DETECTOR DE DANOS EM RODAS UTILIZANDO MICROFONE ELETRETO – VF 001


CONCLUSÕES

➢ Ficou evidente a necessidade dodesenvolvimento de estudos maisdetalhados e aprofundados sobre as causase evolução dos danos da superfície derolamento das rodas ferroviárias e anecessidade de maior interação eparticipação das operadoras ferroviáriascom meio acadêmico e vice-versa, para seobter maiores e melhores resultados naanálise das causas dos danos de rodasferroviárias e geração de novas tecnologias;

CONCLUSÕES

➢ Foi confirmada a possibilidade de utilizaçãodos acelerômetros e do microfone deeletreto para o uso em sistemas de detecçãode danos em rodas;

➢ Foi comprovado que é plenamente possívelo desenvolvimento de um sistema dedetecção de danos de rodas ferroviárias,com tecnologia simples e de baixo custo.

Francisco José Freitas Lopes

APLICAÇÃO DE SENSORES DE VIBRAÇÃO

E RUÍDO NOS TRILHOS PARA DETECÇÃO DE DANOS EM RODAS

FERROVIÁRIA

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